Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Input Calibration and Validation of RELAP5 Against CIRCUS-IV Single Channel Tests on Natural Circulation Two-Phase Flow Instability
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Physics, Nuclear Power Safety.
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Physics, Nuclear Power Safety.ORCID iD: 0000-0002-0683-9136
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Physics, Nuclear Power Safety.
2015 (English)In: Science and Technology of Nuclear Installations, ISSN 1687-6075, E-ISSN 1687-6083, Vol. 2015, 1-14 p., 130741Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

RELAP5 is a system thermal-hydraulic code that is used to perform safety analysis on nuclear reactors. Since the code is based on steady state, two-phase flow regime maps, there is a concern that RELAP5 may provide significant errors for rapid transient conditions. In this work, the capability of RELAP5 code to predict the oscillatory behavior of a natural circulation driven, two-phase flow at low pressure is investigated. The simulations are compared with a series of experiments that were performed in the CIRCUS-IV facility at the Delft University of Technology. For this purpose, we developed a procedure for calibration of the input and code validation. The procedure employs (i) multiple parameters measured in different regimes, (ii) independent consideration of the subsections of the loop, and (iii) assessment of importance of the uncertain input parameters. We found that predicted system parameters are less sensitive to variations of the uncertain input and boundary conditions in high frequency oscillations regime. It is shown that calculation results overlap experimental values, except for the high frequency oscillations regime where the maximum inlet flow rate was overestimated. This finding agrees with the idea that steady state, two-phase flow regime maps might be one of the possible reasons for the discrepancy in case of rapid transients in two-phase systems.

Place, publisher, year, edition, pages
Hindawi Publishing Corporation, 2015. Vol. 2015, 1-14 p., 130741
National Category
Energy Engineering
Research subject
Energy Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-172756DOI: 10.1155/2015/130741ISI: 000360730000001Scopus ID: 2-s2.0-84941255124OAI: oai:DiVA.org:kth-172756DiVA: diva2:849185
Note

QC 20150828

Available from: 2015-08-27 Created: 2015-08-27 Last updated: 2017-12-04Bibliographically approved
In thesis
1. Input Calibration, Code Validation and Surrogate Model Development for Analysis of Two-phase Circulation Instability and Core Relocation Phenomena
Open this publication in new window or tab >>Input Calibration, Code Validation and Surrogate Model Development for Analysis of Two-phase Circulation Instability and Core Relocation Phenomena
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Code validation and uncertainty quantification are important tasks in nuclear reactor safety analysis. Code users have to deal with large number of uncertain parameters, complex multi-physics, multi-dimensional and multi-scale phenomena. In order to make results of analysis more robust, it is important to develop and employ procedures for guiding user choices in quantification of the uncertainties.

 

The work aims to further develop approaches and procedures for system analysis code validation and application to practical problems of safety analysis. The work is divided into two parts.

 

The first part presents validation of two reactor system thermal-hydraulic (STH) codes RELAP5 and TRACE for prediction of two-phase circulation flow instability.

 

The goals of the first part are to: (a) develop and apply efficient methods for input calibration and STH code validation against unsteady flow experiments with two-phase circulation flow instability, and (b) examine the codes capability to predict instantaneous thermal hydraulic parameters and flow regimes during the transients.

 

Two approaches have been developed: a non-automated procedure based on separate treatment of uncertain input parameters (UIPs) and an automated method using genetic algorithm. Multiple measured parameters and system response quantities (SRQs) are employed in both calibration of uncertain parameters in the code input deck and validation of RELAP5 and TRACE codes. The effect of improvement in RELAP5 flow regime identification on code prediction of thermal-hydraulic parameters has been studied.

 

Result of the code validations demonstrates that RELAP5 and TRACE can reproduce qualitative behaviour of two-phase flow instability. However, both codes misidentified instantaneous flow regimes, and it was not possible to predict simultaneously experimental values of oscillation period and maximum inlet flow rate. The outcome suggests importance of simultaneous consideration of multiple SRQs and different test regimes for quantitative code validation.

 

The second part of this work addresses core degradation and relocation to the lower head of a boiling water reactor (BWR). Properties of the debris in the lower head provide initial conditions for vessel failure, melt release and ex-vessel accident progression.

 

The goals of the second part are to: (a) obtain a representative database of MELCOR solutions for characteristics of debris in the reactor lower plenum for different accident scenarios, and (b) develop a computationally efficient surrogate model (SM) that can be used in extensive uncertainty analysis for prediction of the debris bed characteristics.

 

MELCOR code coupled with genetic algorithm, random and grid sampling methods was used to generate a database of the full model solutions and to investigate in-vessel corium debris relocation in a Nordic BWR. Artificial neural networks (ANNs) with classification (grouping) of scenarios have been used for development of the SM in order to address the issue of chaotic response of the full model especially in the transition region.

 

The core relocation analysis shows that there are two main groups of scenarios: with relatively small (<20 tons) and large (>100 tons) amounts of total relocated debris in the reactor lower plenum. The domains are separated by transition regions, in which small variation of the input can result in large changes in the final mass of debris.  SMs using multiple ANNs with/without weighting between different groups effectively filter out the noise and provide a better prediction of the output cumulative distribution function, but increase the mean squared error compared to a single ANN.

Abstract [sv]

Validering av datorkoder och kvantifiering av osäkerhetsfaktorer är viktiga delar vid säkerhetsanalys av kärnkraftsreaktorer. Datorkodanvändaren måste hantera ett stort antal osäkra parametrar vid beskrivningen av fysikaliska fenomen i flera dimensioner från mikro- till makroskala. För att göra analysresultaten mer robusta, är det viktigt att utveckla och tillämpa rutiner för att vägleda användaren vid kvantifiering av osäkerheter.Detta arbete syftar till att vidareutveckla metoder och förfaranden för validering av systemkoder och deras tillämpning på praktiska problem i säkerhetsanalysen. Arbetet delas in i två delar.Första delen presenterar validering av de termohydrauliska systemkoderna (STH) RELAP5 och TRACE vid analys av tvåfasinstabilitet i cirkulationsflödet.Målen för den första delen är att: (a) utveckla och tillämpa effektiva metoder för kalibrering av indatafiler och validering av STH mot flödesexperiment med tvåfas cirkulationsflödeinstabilitet och (b) granska datorkodernas förmåga att förutsäga momentana termohydrauliska parametrar och flödesregimer under transienta förlopp.Två metoder har utvecklats: en icke-automatisk procedur baserad på separat hantering av osäkra indataparametrar (UIPs) och en automatiserad metod som använder genetisk algoritm. Ett flertal uppmätta parametrar och systemresponser (SRQs) används i både kalibrering av osäkra parametrar i indatafilen och validering av RELAP5 och TRACE. Resultatet av modifikationer i hur RELAP5 identifierar olika flödesregimer, och särskilt hur detta påverkar datorkodens prediktioner av termohydrauliska parametrar, har studerats.Resultatet av valideringen visar att RELAP5 och TRACE kan återge det kvalitativa beteende av två-fas flödets instabilitet. Däremot kan ingen av koderna korrekt identifiera den momentana flödesregimen, det var därför ej möjligt att förutsäga experimentella värden på svängningsperiod och maximal inloppsflödeshastighet samtidigt. Resultatet belyser betydelsen av samtidig behandling av flera SRQs liksom olika experimentella flödesregimer för kvantitativ kodvalidering.Den andra delen av detta arbete behandlar härdnedbrytning och omfördelning till reaktortankens nedre plenumdel i en kokarvatten reaktor (BWR). Egenskaper hos härdrester i nedre plenum ger inledande förutsättningar för reaktortanksgenomsmältning, hur smältan rinner ut ur reaktortanken och händelseförloppet i reaktorinneslutningen.Målen i den andra delen är att: (a) erhålla en representativ databas över koden MELCOR:s analysresultat för egenskaperna hos härdrester i nedre plenum under olika händelseförlopp, och (b) utveckla en beräkningseffektiv surrogatsmodell som kan användas i omfattande osäkerhetsanalyser för att förutsäga partikelbäddsegenskaper.MELCOR, kopplad till en genetisk algoritm med slumpmässigt urval användes för att generera en databas av analysresultat med tillämpning på smältans omfördelning i reaktortanken i en Nordisk BWR.Analysen av hur härden omfördelas visar att det finns två huvudgrupper av scenarier: med relativt liten (<20 ton) och stor (> 100 ton) total mängd omfördelade härdrester i nedre plenum. Dessa domäner är åtskilda av övergångsregioner, där små variationer i indata kan resultera i stora ändringar i den slutliga partikelmassan. Flergrupps artificiella neurala nätverk med klassificering av händelseförloppet har använts för utvecklingen av en surrogatmodell för att hantera problemet med kaotiska resultat av den fullständiga modellen, särskilt i övergångsregionen.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: Kungliga Tekniska högskolan, 2017. 86 p.
Series
TRITA-FYS, ISSN 0280-316X ; 2017:03
Keyword
Reactor system code, input calibration, code validation, surrogate model, two-phase circulation flow instability, in-vessel core relocation, genetic algorithm, artificial neural network, Reaktorsystemkod, indata kalibrering, kodvalidering, surrogatmodell, två-fas cirkulationsflöde, instabilitet, härdrelokering i reaktortanken, genetisk algoritm, artificiella neurala nätverk
National Category
Other Physics Topics
Research subject
Physics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-202957 (URN)978-91-7729-265-4 (ISBN)
Public defence
2017-02-17, FA32, Roslagstullsbacken 21, Huvudbyggnaden, våningsplan 3, AlbaNova, Stockholm, 13:00
Opponent
Supervisors
Note

QC 20170309

Available from: 2017-03-09 Created: 2017-03-08 Last updated: 2017-03-10Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2380 kB)